1-2-晶體光學基礎理論

晶體光學與光性礦物學（80學時）講課內容安排1晶體光學基礎理論（1）2晶體光學基礎理論（2）3單偏光鏡下的晶體光性特征4正交偏光鏡下的晶體光性特征（1）5正交偏光鏡下的晶體光性特征(2)6錐光鏡下的晶體光性特征7

寶石的光學性質8系統(tǒng)鑒定每次課2學時實驗課安排晶體光學基礎知識1偏光顯微鏡的構造與使用2晶形、顏色、多色性、解理3-4邊緣、糙面、突起、閃突起5-6消光，補色法則，干涉色級序7-8消光類型，消光角，延性9一軸晶干涉圖10-11二軸晶干涉圖12-13系統(tǒng)鑒定實習透明造巖礦物的鏡下鑒定14石英、方解石、玉髓等15-17長石族18角閃石族19-20輝石族21橄欖石及其蝕變礦物22云母族23-24未知鑒定

(考試)每次課2學時

晶體光學:研究可見光通過透明礦物晶體時的一些光學現(xiàn)象及其變化規(guī)律的學科。

研究目的：根據(jù)光學特征鑒定礦物種屬、鑒定寶石。鑒定礦物種屬有沒有其它方法？彼此之間在原理上有哪些差異？鑒定礦物的其他方法:形態(tài)、力學性質（如解理、裂開）、密度、磁性顏色（主要是吸收色）、粉末色（條痕色）、反光強度、熒光效應等化學成分。。。晶體光學：強調可見光光線在穿過透明礦物之后產(chǎn)生的光學效應，借助光學效應之間的差別來鑒別礦物種屬。第1講晶體光學基礎原理.上光的波動性可見光、單色光與白光、自然光與偏光光的折射與折射率雙折射和雙折射率光的全反射和全反射臨界角光性均質體與光性非均質體

一、光學基礎知識光是一種電磁波（橫波）微粒學說波動學說波粒二象性電磁波:交變電磁狀態(tài)的傳播電分量磁分量1、光的波動性電磁波是一種橫波，因此光也是橫波：振動方向與傳播方向相互垂直光波具有一切電磁波屬性：反射、折射、干涉、偏振、色散、衍射特征。光是一種高頻波（波長?。梢栽诠?、液、氣相多種媒質中傳播。F=V/

圖中波自左向右以速度V傳播波長

：相鄰兩波峰之間的距離頻率F

：每秒鐘內波峰通過某一點處的次數(shù)振幅A：波的高度波的相關術語可見光：正常的人眼能感覺到的電磁波。單色光：頻率為某一定值或在某一窄小范圍的可見光。白光：是指由七種基本單色光混合的光（如日光）。2.可見光、單色光、白光可見光在電磁波譜中的位置波長（nm）紫外紅外紫蘭綠黃橙紅390430500570590650770波長nm人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近555nm自然光:在垂直光波傳播方向的平面內，各個方向上都有等振幅振動的光波偏光:僅在垂直光波傳播方向的某一個固定方向上振動的光波偏光化作用(Polarization)：使自然光轉變?yōu)槠獾淖饔?。反射、折射、雙折射、選擇性吸收可使自然光轉變?yōu)槠窆狻?、光的折射與折射率生活中的光折射折射定律（Snell定律）：N=Vi

/Vr

=Sini

/Sinr.irNi>NrNrNiirNi<NrNrNiirNiNrNi<NrirNi>NrNrNi法線法線WaterAir疏密密疏1）由光疏進入光密物質，折向光法線；由光密進入光疏物質，偏離光法線。2）N：折射介質對入射介質的相對折射率，若入射介質為真空，為絕對折射率。3）一般而言，礦物折射率指礦物對黃光的折射率（為什么？）。4）光在介質中的傳播速度受微觀結構（鍵性、質點類型、堆積的緊密程度等）的控制，因此折射率是反映介質成分和微觀結構的重要參數(shù)。

注意：光波在非均質體中傳播時，決定光波傳播速度及折射率大小的是光波在晶體中的振動方向，而不是傳播方向.思考：所有介質的折射率總是>1，為什么？垂直入射的光線如何折射？ΦNrNiNi>NrΦ為全反射臨界角*光波由光密物質進入光疏物質，當入射角增大到某一臨界角Φ時，會產(chǎn)生全反射，據(jù)此原理，在已知Ni時，測出Φ值就能測出Nr.4、光的全反射和全反射臨界角折射定律：

N=Vi

/Vr

=Sini

/Sinr

=Nr/Ni

Sinr

=Sini/N若Sini=N,則r=90

密疏雙折射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：冰洲石下的雙像1669年的一天，丹麥科學家巴塞林那斯(E.Bartholinus)無意中發(fā)現(xiàn)：透過冰洲石的書每個字都變成了兩個。10年后，荷蘭物理學家惠更斯(ChristiaanHuygens)看到了這一記載，并給出了解釋：一束光射入冰洲石后會分為兩束光（雙折射）這兩束光的一束遵從折射定律，稱為常光，以O表示；而另外一束不遵從折射定律，稱為非常光，以e表示如冰洲石越厚，兩束光分得越開。5、雙折射和雙折射率冰洲石（方解石）礦物的雙折射效應oe冰洲石當光線入射到礦物晶體之中時，一般都會發(fā)生雙折射現(xiàn)象。即形成兩束折射光。一束為尋常光線（o光），服從折射定律，沿各方向的光的傳播速度相同，即各方向的折射率相同。一束為異常光線（e光），不服從折射定律，沿各方向的光的傳播速度不同，即各方向的折射率不相同。ne=1.468，no=1.658相關說明：（1）o光與e光均為偏振光，二者常具有不同的傳播方向和傳播速度，折射率也不相同。二者之間的差為雙折率。（2）傳播方向：o

光始終在入射面（晶面法線與入射線所決定的平面）內傳播，且在介質中的傳播速度不受傳播方向的影響；e光一般不在入射面內，傳播速度隨振動方向變化，因此最大的Ne才有鑒定意義。（3）o光的振動方向與主平面（光線和光軸所決定的平面）垂直；e光的振動方向與主平面平行。因此兩者振動方向相互垂直。（4）光軸：晶體內特殊的光性方位，當光線沿光軸方向入射時，o光和e光具有相同的折射率和波速，不發(fā)生雙折射。渥拉斯頓棱鏡由兩塊光軸相互垂直的方解石（no>ne）直角棱鏡組成，具有起偏作用、分光作用。渥拉斯頓棱鏡工作原理??eOABDCO方解石????光密→光疏e?O光振動垂直于主平面；e光振動//主平面光疏→光密o光變e光e光變o光平行振動垂直振動光軸把方解石（ne=1.468，no=1.658)按長度為寬度的2.8倍的比例磨制，后沿晶體上某個面將晶體剖成兩半，再以n=1.550的加拿大樹膠粘合成原來形狀。加拿大樹膠尼科耳棱鏡續(xù)上方解石主截面將71修磨成6868CC光軸ennOn膠=1.49=1.66=1.55nOn膠具備全反射條件O光上述設計可保證大于全反射臨界角Oi只有從端面輸出光eABO光光eOi被涂黑的器壁吸收光e71尼科耳棱鏡工作原理6、光性均質體與光性非均質體光性均質體光性非均質體光性均質體指光學性質各個方向相同的物質，如玻璃質和等軸晶系的礦物傳播速率不因振動方向的不同而改變，任何方向振動的光波折射率相同自然光仍為自然光，偏振光仍為偏振光不發(fā)生雙折射思考：是否會發(fā)生折射（傳播方向改變）

？光性非均質體

光學性質因方向而異的礦物，即除等軸晶系以外的所有其它晶系的礦物

傳播速度、折射率隨光波的振動方向而變。有一個或者兩個光軸，一軸晶和二軸晶(中、低級晶族)

除特殊方向外均要發(fā)生雙折射，分解成兩個振動方向不同、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏光。晶體光學基礎理論（1）小結

光的波動性：電磁波、橫波、高頻波可見光（390-770nm）、單色光/白光、自然光/偏光白光可以是自然光，也可以是偏光自然光可以是白光，也可以是單色光偏光可以是白光，也可以是單色光

光的折射：折射后發(fā)生了什么？V、F、、傳播方向

光的全反射和全反射臨界角雙折射：光透過多數(shù)礦物（哪些例外？），分解為2束（O、e）折射率、波速、傳播方向不同、偏振光

O光振動方向⊥主平面，e光振動方向∥主平面雙折率：abs(No－Ne)主截面、主平面、入射面、主軸面光的主平面：晶體中的光線與光軸所形成的平面晶體主截面：由光軸和晶體表面的法線所組成的平面

入射面：晶面法線與入射線所決定的平面

主軸面（主切面）：包含2個主軸的切面

光性均質體/光性非均質體（是否發(fā)生雙折射）

主截面：光軸和晶體表面法線組成的平面主平面：某一光線(o光或e光)與光軸組成的平面光軸法線o光e光光軸法線一般情況下，e光不一定在入射面內，o光和e光的主平面并不重合光軸o光光軸e光主截面o光主平面e光主平面雙折射與光傳播方向改變的問題常光：遵循折射定律（No=SinI/Sinr）非常光：不遵循折射定律，可用惠更斯作圖法求出其傳播方向光軸光軸惠更斯原理(作圖法)解釋惠更斯原理：媒質中任一波陣面上的各點，都是發(fā)射子波的新波源，其后任意時刻，這些子波的包絡面就是新的波陣面光軸光軸均質體:

單折射(一個折射率)自然光進自然光出，偏振光進偏振光出類玻璃質：玻璃、水、空氣、樹膠……等軸晶系：石榴石、螢石、尖晶石……一軸晶:(2個主折射率)六方晶系：磷灰石、霞石……四方晶系：鋯石、方柱石……三方晶系：石英、方解石……二軸晶:(3個主折射率)斜方晶系：橄欖石、紫蘇輝石……單斜晶系：普通角閃石、透長石……三斜晶系：斜長石、硅灰石……非均質體:

光從非光軸方向入射，產(chǎn)生雙折射，分解成振動方向互相垂直的兩束偏振光。晶體光學研究的對象第2講晶體光學基礎原理.下光率體：表示光波在晶體中傳播時，折射率值隨光波振動方向而變化規(guī)律的一種光性指示體。（是光的振動方向，不是傳播方向?。┒?、晶體光率體（重要！）光率體示意圖光率體不是實際的物體，而是抽象的立體模型，用來解釋晶體中光學現(xiàn)象的簡單直觀的假想的指示體半徑的長度表示N的大小1.均質體光率體

不同方向振動的光波折射率相等，故為一圓球體任何切面都是圓切面圓切面的半徑＝N只有一個折射率值NNNNN2.一軸晶光率體

形態(tài)：旋轉橢球體，旋轉軸與結晶軸C軸一致平行于結晶軸C軸方向入射的光波,在垂直于C軸的平面內振動，折射率為No，不產(chǎn)生雙折射。因此C軸與光軸一致。垂直于C軸入射的光波，將解為平行和垂直于C軸振動的兩種偏光，前者折射率為Ne，后者為No。NeNoNe>No,正光性光率體，如石英Ne<No,負光性光率體如方解石光性正負的區(qū)分光率體要素：

有No和Ne兩個主折射率，或光率體橢球半徑，介于之間者為Ne’

abs(Ne–No)為最大雙折射率有一個光軸（OA）//Ne//C軸NeNoNe’主要切面及其意義垂直O(jiān)A切面：半徑為No的圓切面，可測定No的顏色和折射率，軸性及光符NoNo平行OA的切面：半徑為Ne、No的橢圓切面，因含光軸，又稱光軸面（OP），可測Ne、No的折射率和顏色，礦物的最大雙折射率NeNoNoNe（+）（-）斜交光軸的切面：半徑為Ne’、No的橢圓切面，可測No的折射率和顏色，當斜交角較小時，可用來確定光性符號Ne’No注意:一軸晶的光率體所有切面上都有No垂直O(jiān)A切面平行OA切面斜交OA切面正光性負光性NoNeNoNe’NoNoNeNoNe‘連連看！3.二軸晶光率體光率體形態(tài)：三軸（半徑）不等的橢球體，三個橢圓半徑分別為Ng、Nm、Np。Ng>Nm>NpNg>Nm>NpXYZ光率體要素：三個主折射率：Ng(>Ng’>)Nm(>Np’>)Np

兩個光軸（OA）光軸角（2V角）：兩光軸銳角夾角

Bxa：兩光軸銳角平分線,可是Ng,也可是Np；Bxo：鈍角平分線光軸面（AP）：包含兩個光軸的切面NgNpNm正光性：Ng=BxaNg-Nm>Nm-Np負光性:Ng=BxoNg-Nm<Nm-Np光性正負之分主要切面及意義(1)⊥ＯＡ切面：半徑為Nm的圓切面，可測Ｎm的顏色和折射率，錐光下可測軸性和光符，光軸角大小。NmNm(2)

∥光軸面(AP)切面：NgNp面，為橢圓，長短半徑為Ng和Np,光波⊥該面入射（沿Nm軸），發(fā)生雙折射，雙折射率＝Ng-Np，為二軸晶礦物最大雙折率。Nm(3)

⊥Bxa的切面(＋):⊥Ng軸的切面，NmNp面。為橢圓切面,長短半徑為Nm、Np。雙折射率＝⊥Bxa的切面(－):⊥Np軸的切面,NmNg面。為橢圓切面,長短半徑為Ng、和Nm。雙折射率＝(4)

⊥Bxo的切面(＋):⊥Np軸的切面,NmNg面。為橢圓切面。長短半徑為Ng和Nm。雙折射率＝⊥Bxo的切面(－):⊥Ng軸的切面,NmNp面。橢圓切面。長短半徑為Nm和Np.雙折射率＝(5)斜交切面:不⊥光軸和主軸。有無數(shù)個，均為橢圓切面,可分為:

任意斜交切面:橢圓的長短半徑以Ng’和Np’表示,Ng＞Ng’＞Nm＞Np’＞Np。雙折射率＝Ng’-Np’

半任意斜交切面:又稱⊥主軸面的斜交切面，即⊥NgNp面、NgNm面、NmNp面的斜交切面。切面橢圓長短半徑中，總有一個半徑是主軸（Ng,Nm,Np),另一個是Ng’或Np’.小結光率體定義：是表示光波在晶體中傳播時，光的振動方向與相應折射率值之間關系的光性指示體。均質體為圓球體，一軸晶為以直立軸為旋轉軸的旋轉橢球體，二軸晶為三軸橢球體。

1、形狀從簡單到復雜，切面、光率體要素也一樣.2、一軸晶為二軸晶2V＝0時的特殊情況.3、均質體也可以作為一軸晶Ne=No的特殊情況.4、二軸晶正光性，當Nm=Np時變?yōu)橐惠S晶正光性.

二軸晶負光性，當Nm=Ng時變?yōu)橐惠S晶負光性.三、光性方位光性方位：光率體主軸與晶體結晶軸間的關系。xyz

1.均質體的光性方位光率體為圓球，無方位可言。2.中級晶族（一軸晶）的光性方位光率體為旋轉橢球體，旋轉軸為Ne，Ne軸=高次對稱軸(C軸)=光軸(OA)。一軸晶正光性礦物的光性方位一軸晶負光性礦物的光性方位石英的光性方位方解石的光性方位（1）斜方晶系光性方位

光率體的三個主軸與三個結晶軸一致(平行)。具體情況因礦物而異。

如黃玉:

Np//ａ，Nm//b，Ng//c3